p Os materiais bidimensionais são um conceito um tanto alucinante. Os humanos vivem em um mundo tridimensional, Afinal, onde tudo observado em nosso mundo natural tem altura, largura, e profundidade. E ainda quando o grafeno - um material de carbono único em sua forma verdadeiramente plana, dimensão de um átomo de profundidade - foi produzida pela primeira vez em 2004, o conceito alucinante tornou-se realidade e uma fronteira inexplorada na ciência dos materiais. p Os cientistas do Ames Laboratory Pat Thiel e Michael Tringides são exploradores dessa fronteira, descobrir as propriedades únicas de materiais bidimensionais (2-D) e metais cultivados em grafeno, grafite, e outras superfícies revestidas de carbono.

p "Nosso trabalho é quase um milagre, se os cientistas podem falar sobre milagres, "disse Tringides, que também é professor de física na Iowa State University. "Apenas algumas décadas atrás, ninguém teria acreditado que poderíamos ver átomos individuais, mas nossas capacidades agora não apenas nos permitem vê-los, mas manipule-os, como uma criança construindo com blocos de Lego. Somos capazes de criar esses materiais de baixo para cima, aqueles que nunca poderiam acontecer na natureza. "

p Eles são criados em um ambiente de laboratório controlado, em um ambiente de ultra-alto vácuo, e investigados com o auxílio de microscopia de tunelamento de varredura. Depois de aquecer o substrato a alta temperatura, todas as impurezas e defeitos são removidos. O substrato é resfriado e os átomos de interesse são depositados um a um de fontes especialmente projetadas. Ajustando a temperatura e a taxa de deposição, os pesquisadores procuram a condição semelhante ao Cachinhos Dourados:os átomos não se movem muito rápido nem muito lento, então um material verdadeiramente 2-D se forma.

p Enquanto seus grupos de pesquisa criam uma variedade de materiais de superfície em seu trabalho, todos os métodos de fabricação têm uma coisa em comum:tentar confinar a montagem dos átomos ao plano 2-D. Isso é difícil, porque é contrário ao que os átomos naturalmente desejam fazer na maioria das condições, para montar em três dimensões.

p "Os átomos são caóticos por natureza; estamos lutando contra essa aleatoriedade em tudo o que fazemos, "disse Tringides." Em nosso trabalho, os átomos estão precisamente dispostos em uma superfície altamente reativa no vácuo. Cada aspecto do ambiente é controlado. Nosso trabalho é fabricar peças muito pequenas, muito limpo, e muito perfeito. Trabalhar em materiais em nanoescala exige isso. "

p Aprender como esses materiais se comportam é fundamental. Como os materiais 2-D são todos superficiais sem volume, uma série de propriedades únicas em nanoescala - químicas, magnético, eletrônico, óptico, e térmico - pode ser atribuído a eles.

p "Há um livro de regras para as propriedades de massa, ou materiais tridimensionais, e contém grandes pedaços que são universalmente entendidos e aceitos, "disse Thiel, um físico químico, cientista de materiais, e distinto professor da Iowa State University. "Mas o livro de regras para materiais 2-D ainda não foi escrito. Há muitas coisas que não sabemos. Recebemos muitas surpresas, e então devemos explicá-los. "

p Escrever o livro de regras para o comportamento desses materiais é apenas o primeiro passo para uma meta maior; criar materiais ajustáveis ​​que podem ser potencialmente úteis em uma série de aplicativos de tecnologia, incluindo microeletrônica ultrarrápida, catálise, e spintrônica.

p É a razão pela qual a pesquisa de Thiel e Tringides se concentrou no cultivo de metais em substratos 2-D nos últimos quatro anos, transformando-o em um ponto forte da pesquisa de materiais do Laboratório Ames.

p O grafeno tem recebido muita atenção entusiasmada tanto na pesquisa científica quanto na indústria de tecnologia porque os elétrons viajam muito rápido ao longo de sua superfície, explicou Tringides. Mas para criar dispositivos funcionais, necessita de padrões de contatos de metal em nanoescala em sua superfície, projetado especificamente para uma função desejada.

p "Seja qual for o material que estamos tentando criar, uniformidade da superfície é a chave para um dispositivo funcional, e é aí que entra a nossa pesquisa "perfeita". Essa perfeição nos torna lentos, mas é uma troca, "disse Tringides." Se pudermos obter uma compreensão completa de como esses contatos podem ser produzidos em condições ideais em um ambiente controlado, então, esses métodos podem ser otimizados eventualmente para uso e produção comercial. "

p O sucesso mais recente de Thiel e Tringides é a intercalação de disprósio em camadas de grafite. A intercalação é a introdução de um material em compostos com estruturas em camadas. Esse é um verdadeiro desafio com grafite, uma vez que sua superfície puramente 2-D resulta em camadas "escorregadias" sem uma boa maneira de formar ligações entre elas.

p "É como uma pilha de cobertores em uma cama, "disse Thiel." Os próprios cobertores são estruturalmente sólidos, mas dois cobertores empilhados um em cima do outro deslizam ao redor, escorregar da cama, e são facilmente removidos em camadas. "Mas a equipe descobriu recentemente as condições sob as quais eles podem criar diferentes tipos de sistemas intercalados de metal e grafite, unir essas mantas deslizantes de material bidimensionalmente. É uma nova maneira promissora de formar uma fina camada de metal protegida por uma película de carbono, e pode abrir caminho para materiais com propriedades magnéticas ou catalíticas exclusivas.

p Com um foco experimental tão estreito e altamente controlado na ciência básica, it could be tempting to assume that their research, like their experiments, occurs in a vacuum. But Thiel credits the success of surface science at Ames Laboratory to the close collaboration of varied research groups. "Ames Laboratory is a fertile environment for surface science experiments because we have the opportunity to collaborate directly with many scientists in diverse areas of expertise addressing the same problem from a different viewpoint, " said Thiel, including specialists in photonic band gap materials, optical physics, theory, and materials fabrication. "While that collaboration model has been adopted by other institutions and is the norm now, Ames Lab's intimate size and community culture really started it all, and our achievements in surface science have benefited greatly from it."